Advanced Materials:三维双连续纳米多孔二维金属化合物的通用制备

 二维金属化合物(TMDs)是一类层状材料,其中一层金属原子被两层硫族元素包裹,形成类三明治结构。近年来,由于其在电子学、传感、催化以及能源转化方面的广泛应用受到了人们的广泛关注。利用纳米多孔具有三维内连通、大孔隙高曲率和较大比表面积的结构优势,将二维金属化合物构筑成三维结构是新材料领域最具活力的研究方向之一。

目前纳米多孔二维金属化合物的制备主要有:自组装、水热法和化学气相沉积法。上述制备方法都面临着很大的困难:尺寸小、均匀性差、孔径和厚度难以调控、制备周期长以及重复性差等问题;因而利用上述方法制造纳米多孔二维金属化合物材料是非常具有挑战性的。因此在保持金属化合物独特的物理化学性质的前提下合理构建三维结构的二维材料仍然是一项具有挑战性的工作。

鉴于此,湖南大学材料科学与工程学院谭勇文教授团队首先通过调研Au-M相图,确定其形成表面合金的温度,接着将Au-M 表面合金暴露在相应的气体氛围中,形成了MXn@NPG 材料,随后用KI/I2对合成的材料进行选择性刻蚀,便获得了具有双连续纳米多孔结构的二维金属化合物,在此过程中,纳米多孔金不仅提供了纳米多孔模板,而且能够作为催化剂有效地促进表面合金的形成。基于这种策略,运用纳米多孔金辅助化学气相沉积的通用方法,实现了具有原子厚度、孔径可调的19种二元和5种三元纳米多孔二维金属化合物的合成,包括硫化物、硒化物、碲化物、氮化物、碳化物。

得益于纳米多孔双连续结构以及丰富的吸附活性位点,合成的3D MoSSe合金材料展现出优异的电催化氮还原性能。与此同时,作者通过X射线光电子能谱(XPS)与同步辐射X射线对制备过程中Mo、S和Se元素的化学价态以及结构变化进行了系统的分析,进而揭示了其相变机制, 验证了催化活性位点的来源。这项工作为各种纳米多孔金属化合物的基础研究和潜在应用开辟了一条很有前途的途径。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202004055)。